特許 6546576 電圧センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6546576

(24)【登録日】2019年6月28日

(45)【発行日】2019年7月17日

(54)【発明の名称】電圧センサ

(51)【国際特許分類】

   G01R 19/00 20060101AFI20190705BHJP

   G01R 15/14 20060101ALI20190705BHJP

【ＦＩ】

   G01R19/00 Y

   G01R15/14 B

【請求項の数】2

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2016-199722(P2016-199722)

(22)【出願日】2016年10月11日

(65)【公開番号】特開2018-63117(P2018-63117A)

(43)【公開日】2018年4月19日

【審査請求日】2017年12月19日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006895

【氏名又は名称】矢崎総業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】592032636

【氏名又は名称】学校法人トヨタ学園

(74)【代理人】

【識別番号】100145908

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 信雄

(72)【発明者】

【氏名】石原 裕己

(72)【発明者】

【氏名】石居 真

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 実

【審査官】 續山 浩二

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−２２８３６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５２６０７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０５２２７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２５３１８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／００２６１３６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００３／００８０７５４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１６−０６５８１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０９９０２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０６６８００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１６０９９０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｒ １９／００

Ｇ０１Ｒ １５／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

機械的な支持手段によって支持されて浮遊電位となる振動子に対して所定の間隔を有して配置された駆動電極とゼロ電位となるフレームグランドとの間に前記振動子を振動させるべく交流電圧を印加して共振させ、前記振動子に所定の隙間を介して配置された固定電極とフレームグランドとの間に測定対象となる電圧が印加されたときの共振周波数の変化から、前記測定対象となる電圧の大きさを検出するための電圧センサであって、
前記駆動電極に対してゼロ電圧を跨ぐ交流電圧を印加する駆動手段を備え、
前記駆動手段は、交流電圧がゼロ電圧となる毎に、ゼロ電圧到達時点から所定時間ゼロ電圧を維持する
ことを特徴とする電圧センサ。

【請求項2】

前記駆動手段は、前記駆動電極に対して時間平均が略ゼロとなる交流電圧を印加する
ことを特徴とする請求項１に記載の電圧センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電圧センサに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ポッケルス素子、１／４波長板、偏光子、検光子等を備えた電圧センサが提案されている。この電圧センサでは、光源より出力された光信号が偏光子により偏光されてポッケルス素子に入射し、ポッケルス素子にて電圧の大きさに応じた光変調を受ける。光変調を受けた光信号は１／４波長板を経て検光子へ伝達される。検光子から出力された光信号は所定の光受信器により受信及び検出され、ポッケルス素子に印加された電圧を測定することができる（例えば特許文献１参照）。

【0003】

しかし、特許文献１に記載の電圧センサは、ポッケルス素子、１／４波長板、偏光子、検光子等の部品が必要となり、部品点数の増加を招いてしまう他、光軸のアライメント等が必要となり、組み立てが煩雑化してしまう。

【0004】

そこで、機械的なサスペンションによって支持された振動子と、この振動子にある隙間を介して対向配置された固定電極と、を具備し、固定電極に測定対象である電圧を印加することで、静電引力を振動子に作用させ、振動子の共振周波数が変化することで、測定対象である電圧を算出する電圧センサが提案されている（特許文献２参照）。

【0005】

この電圧センサでは、測定対象となる電圧が固定電極に印加されると、この電圧による静電引力により、実質的にサスペンションのバネ定数が変化することとなり、振動子の共振周波数が変化することとなる。この変化は、測定対象となる電圧の大きさに一定の相関があることから、変化した共振周波数から測定対象となる電圧の値を測定することができる。このように、特許文献２に記載の電圧センサは、上記光学部品が必要とならず、部品点数の増加を抑え、且つ、光軸のアライメント等も必要とならないことから、組み立ての煩雑化も防止できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平３−１４６８７５号公報

【特許文献2】特開２０１３−２２８３６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ここで、特許文献２に記載されるような電圧センサにおいて、振動子を振動させるために駆動電極に印加される交流電圧は正のＤＣバイアスを掛けたものとなっていた。すなわち、振動子は浮遊電位であることから、振動子を振動アクチュエータとしてみた場合において振動効率を考慮して、駆動電極に印加される交流電圧が正のＤＣバイアスを掛けたものとなっていた。

【0008】

しかし、特許文献２に記載の電圧センサでは、交流振幅の下限値においても正の電圧となるように、駆動電極に正のＤＣバイアスを掛けた交流電圧を印加している関係上、振動子は常に一方向の電界を受けてチャージアップし、振動子に印加される実質的な電界が変化してしまい、共振周波数に影響が及んで計測のバラつきが大きくなってしまうものであった。なお、この問題は正のＤＣバイアスを掛けて交流振幅の下限値においても正の電圧となる交流電圧に限らず、負のＤＣバイアスを掛けて交流振幅の上限値においても負の電圧となる交流電圧についても同様に生じる問題である。

【0009】

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、部品点数の増加、及び、組み立ての煩雑化を防止しつつ、計測のバラつきを小さくすることができる電圧センサを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の電圧センサは、機械的な支持手段によって支持されて浮遊電位となる振動子に対して所定の間隔を有して配置された駆動電極とゼロ電位となるフレームグランドとの間に前記振動子を振動させるべく交流電圧を印加して共振させ、前記振動子に所定の隙間を介して配置された固定電極とフレームグランドとの間に測定対象となる電圧が印加されたときの共振周波数の変化から、前記測定対象となる電圧の大きさを検出するための電圧センサであって、前記駆動電極に対してゼロ電圧を跨ぐ交流電圧を印加する駆動手段を備え、前記駆動手段は、交流電圧がゼロ電圧となる毎に、ゼロ電圧到達時点から所定時間ゼロ電圧を維持することを特徴とする。

【0011】

本発明の電圧センサによれば、駆動電極に対して０Ｖを跨ぐ交流電圧を印加するため、振動子が常に一方向の電界を受けるということがなく、振動子のチャージアップに基づく振動子に印加される実質的な電界の変化を抑えて共振周波数への影響を抑えることができる。また、ポッケルス素子、１／４波長板、偏光子、検光子等の部品が必要なく、光軸のアライメント等も必要がないため、部品点数の増加、及び、組み立ての煩雑化を防止することができる。従って、部品点数の増加、及び、組み立ての煩雑化を防止しつつ、計測のバラつきを小さくすることができる。

【0013】

さらに、交流電圧がゼロ電圧となる毎に、ゼロ電圧到達時点から所定時間ゼロ電圧を維持するため、振動子のチャージアップがさらに軽減されることとなり、計測のバラつきを一層小さくすることができる。

【0014】

また、上記電圧センサにおいて、前記駆動手段は、前記駆動電極に対して時間平均が略ゼロとなる交流電圧を印加することが好ましい。

【0015】

この電圧センサによれば、駆動電極に対して時間平均が略ゼロとなる交流電圧を印加するため、振動子のチャージアップに基づく振動子に印加される実質的な電界の変化をより一層抑えて共振周波数への影響を一層抑えることができる。よって、計測のバラつきを一層小さくすることができる。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、部品点数の増加、及び、組み立ての煩雑化を防止しつつ、計測のバラつきを小さくすることができる電圧センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施形態に係る電圧センサの原理を示す基本構成図である。

【図2】本実施形態に係る電圧センサを示す斜視図である。

【図3】図２に示したＡ部の拡大図である。

【図4】図２に示した電圧センサの上面拡大図である。

【図5】本実施形態に係る駆動回路により印加される交流電圧を示す図であり、（ａ）は第１の例を示し、（ｂ）は第２の例を示し、（ｃ）は第３の例を示し、（ｄ）は第４の例を示している。

【図6】図２に示した電圧センサの周波数に対するシグナル変化を示すグラフである。

【図7】固定電極に印加する電圧と共振周波数との相関を示すグラフであり、正のＤＣバイアスを掛けた交流電圧（０Ｖ〜６０Ｖ）を駆動電極に印加した場合を示している。

【図8】固定電極に印加する電圧と共振周波数との相関を示すグラフであり、時間平均してゼロとなる両極性の交流電圧（−３０Ｖ〜３０Ｖ）を駆動電極に印加した場合を示している。

【図9】固定電極３０に印加する電圧と共振周波数の標準偏差との相関を示すグラフであり、オフセット電圧３０Ｖの交流電圧を駆動電極５０に印加した場合と、オフセット電圧０Ｖの交流電圧を駆動電極５０に印加した場合との双方を示している。

【図10】オフセット電圧１０Ｖ及び２０Ｖのときの標準偏差を示す表である。

【図11】オフセット電圧１０Ｖ及び２０Ｖのときの標準偏差の算出手法を示す図であって、（ａ）はオフセット電圧３０Ｖの波形を示し、（ｂ）はオフセット電圧２０Ｖの波形を示し、（ｃ）はオフセット電圧１０Ｖの波形を示し、（ｄ）はオフセット電圧０Ｖの波形を示している。

【図12】固定電極に印加する電圧と共振周波数との相関を示すグラフであり、ゼロ電圧時において一定の停止時間を設けたオフセット電圧０Ｖの交流電圧を駆動電極に印加した場合を示している。

【図13】固定電極に印加する電圧と共振周波数の標準偏差との相関を示すグラフであり、オフセット電圧０Ｖの交流電圧を駆動電極に印加した場合（停止時間を設けない場合）と、ゼロ電圧時において一定の停止時間を設けたオフセット電圧０Ｖの交流電圧を駆動電極に印加した場合（停止時間を設けた場合）との双方を示している。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明するが、本発明は以下の実施形態に限られるものではない。

【0019】

図１は、本発明の実施形態に係る電圧センサの原理を示す基本構成図である。図１に示すように、本実施形態に係る電圧センサ１は、機械的なサスペンション（支持手段）１０と、振動子２０と、固定電極３０と、演算部４０とを備えている。

【0020】

サスペンション１０は、振動子２０を支持するものである。このサスペンション１０のバネ定数をｋとする。振動子２０は、サスペンション１０により支持された平板電極であり、サスペンション１０の弾性力により振動可能となっている。この振動子２０の質量をｍとする。

【0021】

固定電極３０は、振動子２０に所定の隙間を介して対向配置された平板電極であり、振動子２０とは平行平板電極の関係を有している。なお、振動子２０と固定電極３０との向かい合った面積をＳとする。また、両者間の初期ギャップをｇとする。

【0022】

このような電圧センサ１において振動子２０に交流電圧が印加されると、振動子２０はサスペンション１０の弾性力により固定電極３０との距離が増減する方向（図中左右方向）に振動する。このとき、振動子２０は、

【数1】

なる関係式（１）に基づく共振周波数ｆ_ｒで振動することとなる。

【0023】

さらに、固定電極３０に測定対象となる電圧が印加されたとする。このとき、固定電極３０から振動子２０に対して静電引力が付与されて距離ｘだけ変位する。静電引力は、式（２）に示す等価バネ定数ｋ_ｅとして表わすことができる。

【数2】

なお、式（２）においてε_０はギャップｇ間の誘電率であり、Ｖは測定対象となる電圧である。

【0024】

これにより、振動子２０は式（３）に示す共振周波数ｆ_ｒ’で振動することとなる。

【数3】

【0025】

ここで、式（２）の等価バネ定数ｋ_ｅは、固定電極３０に印加される電圧Ｖｍの大きさに応じて変化することから、式（３）に示す共振周波数ｆ_ｒ’についても電圧Ｖｍの大きさを反映したものとなる。

【0026】

よって、演算部４０は、振動子２０の共振周波数ｆ_ｒ’から測定対象となる電圧Ｖｍの大きさを算出することができる。

【0027】

図２は、本実施形態に係る電圧センサ１を示す斜視図である。図２に示すように、電圧センサ１は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）加工技術を利用して作成されるマイクロ電圧センサである。

【0028】

図２に示すように、この電圧センサ１において振動子２０は共振周波数を高めるために、質量が小さくなる細長形状とされている。また、サスペンション１０は、細長形状となる振動子２０の両端部それぞれに設けられており、両端側から振動子２０を支持する構成となっている。さらに、サスペンション１０は、それぞれがコの字状に折り返された形状となっている。振動子２０は、このような２つのサスペンション１０に支持されて浮遊電位となっている。

【0029】

また、この電圧センサ１は、図１に示す構成に加えて、駆動電極５０と、各サスペンション１０の振動子２０の接続側と反対側の端部につながる第１及び第２電極６１，６２と、ストッパ７０とを備えている。図１に示した演算部４０は、第１及び第２電極６１，６２の少なくとも一方に接続される。

【0030】

駆動電極５０は、振動子２０に隣接して配置されており、交流電圧の印加により振動子２０を励起振動させて共振させるものである。図３は、図２に示したＡ部の拡大図である。図３に示すように、駆動電極５０は、振動子２０の方向に伸びる櫛歯電極５１を備えている。同様に図２に示す振動子２０は、駆動電極５０の方向に伸びる櫛歯電極２１を備えている。互いの櫛歯電極２１，５１は接触することなく噛み合うように配置されている。

【0031】

このような電圧センサ１は、例えばＳＯＩウェハを加工することにより作成することができる。具体的には、シングルマスクでパターニングを行い、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥにてエッチングを行う。可動部である振動子２０のリリースは、気相ＨＦを用いて犠牲層エッチングを行う。

【0032】

上記したように振動子２０は、振動のためサスペンション１０に支持された状態で宙に浮いた構造となっている。なお、実際の製品（デバイス層ｘ：１１２５μｍ、ｙ：１５８５μｍ、ｚ：２５μｍ）において振動子２０は、他の電極３０，５０に対して最大６６ｎｍ沈むが、犠牲層は２μｍであるため、沈み量は犠牲層の１／３０と僅かであり、ハンドル層とは接触しない。また、図示の関係上、櫛歯電極５１及び固定電極３０についても宙に浮いた構造に見えるかもしれないが、これは犠牲層エッチングが一部進行したためであり、実際にはハンドル層に固定されている。

【0033】

図４は、図２に示した電圧センサ１の上面拡大図である。図２及び図４に示すように、ストッパ７０は、振動子２０に対して固定電極３０側に４つ配置されている（図４では２つのみを図示）。このストッパ７０は、電気的にどこにも接続されていない浮遊電極となっている。このようなストッパ７０は、本体部７１と、バネ部７２と、接触部７３とを備えている。

【0034】

本体部７１は、上面視した場合に略正方形状となっており、この正方形の１つの頂点部から細長のバネ部７２が形成されている。バネ部７２の先端は、固定電極３０よりも振動子２０側にやや突き出ている。また、バネ部７２は、頂点部から振動子２０側に伸びると共に９０度に折り返されて正方形の辺に沿って伸び、且つ、再度振動子２０側に９０度折り返されている。すなわち、バネ部７２は、途中で２回９０度に折られた形状となっており、この９０度の折り返しにより弾性力を有する構成となっている。このようなストッパ７０が存在することで、振動子２０が静電引力により固定電極３０側に過剰に引っ張られたとしても振動子２０は接触部７３に接触することとなり、振動子２０と固定電極３０との短絡が防止されることとなる。また、振動子２０がストッパ７０に接触した場合においても、バネ部７２の弾性力が接触時の力を緩和する働きを有するため、接触部７３の折れ曲がりや折れ自体が防止されることとなる。

【0035】

次に、本実施形態に係る電圧センサ１の動作を説明する。まず、本実施形態の電圧センサ１において駆動電極５０は交流電圧を発生させる。これにより、駆動電極５０の電圧により静電引力が発生し、電圧が交流であることから振動子２０は所定の共振周波数ｆ_ｒを持ち振動することとなる。

【0036】

このとき、固定電極３０に測定対象となる電圧Ｖｍが印加されたとする。これにより、式（２）に示した静電引力が発生し、式（３）に示すように振動子２０は共振周波数ｆ_ｒ’を持ち振動することとなる。

【0037】

演算部４０は、この共振周波数ｆ_ｒ’から測定対象となる電圧Ｖｍの大きさを演算することとなる。なお、演算部４０は、共振周波数ｆ_ｒ’を測定するために振動子２０の変位量を測定する必要がある。この際、電圧センサ１は振動子２０にレーザ光を照射し、反射光の振れ幅から振動子２０の変位量を求めることとなる（光学的測定）。また、電圧センサ１は、電極ギャップｇが変化することによる静電容量の変化から振動子２０の変位量を計測するようにしてもよい（電気的測定）。なお、静電容量から変位量を求める場合、固定電極３０をそのまま利用してもよいし、別途変位量を測定するための平行平板電極を設置してもよい。

【0038】

ここで、本実施形態に係る電圧センサ１は、駆動回路（駆動手段）８０が駆動電極５０に接続されている。振動子２０を共振させるための交流電圧は駆動回路８０から駆動電極５０に印加される。特に、本実施形態において駆動回路８０は、駆動電極５０に対して０Ｖを跨ぐ交流電圧を印加し、より好ましくは駆動電極５０に対して時間平均（周期単位の時間平均）が略ゼロとなる交流電圧を印加する。

【0039】

図５は、本実施形態に係る駆動回路８０により印加される交流電圧を示す図であり、（ａ）は第１の例を示し、（ｂ）は第２の例を示し、（ｃ）は第３の例を示し、（ｄ）は第４の例を示している。図５（ａ）に示すように、駆動回路８０は、駆動電極５０に対して０Ｖを跨ぐ交流電圧を印加する。この例において、印加される交流電圧は、正（負でも可）に所定量のＤＣバイアスが掛けられており、その時間平均は略ゼロではない。また、図５（ｂ）に示すように、駆動回路８０は、駆動回路８０は、交流電圧がゼロ電圧となる毎に、ゼロ電圧到達時点から所定時間ゼロ電圧を維持するようになっていてもよい。すなわち、ゼロ電圧において停止時間を設けるようにしてもよい。さらに、図５（ｃ）に示すように、駆動回路８０は、正又は負にＤＣバイアスを掛けた交流電圧を印加するのではなく、電圧ゼロを中心に正及び負に同じ振幅を有する両極性電圧を印加することが好ましい。加えて、図５（ｄ）に示すように、駆動回路８０は、電圧ゼロを中心に正及び負に同じ振幅を有する両極性電圧を印加しつつも、ゼロ電圧において停止時間を設けるようにしてもよい。すなわち、図５（ｂ）と図５（ｃ）との例の組み合わせとしてもよい。

【0040】

このような交流電圧を駆動電極５０に印加することにより、振動子２０のチャージアップに基づく振動子２０に印加される実質的な電界の変化を抑えて共振周波数への影響を軽減することができる。

【0041】

図６は、図２に示した電圧センサ１の周波数に対するシグナル変化を示すグラフである。例えば図５（ｃ）に示した交流電圧を駆動電極５０に印加し、その際に振動子２０から発生するシグナルを検出する。そして、周波数を変化させていくと、図６に示すように２２．７３ｋＨｚ（共振周波数）において急激なシグナル変化が得られる。なお、後述の図８にも示すように、固定電極３０に印加する電圧Ｖｍが大きくなると、上記のシグナル変化が得られる周波数（共振周波数）は単調減少することとなり、電圧センサ１として充分機能することがわかった。

【0042】

図７は、固定電極３０に印加する電圧Ｖｍと共振周波数との相関を示すグラフであり、正のＤＣバイアスを掛けた交流電圧（０Ｖ〜６０Ｖ）を駆動電極５０に印加した場合を示している。また、図８は、固定電極３０に印加する電圧Ｖｍと共振周波数との相関を示すグラフであり、時間平均してゼロとなる両極性の交流電圧（−３０Ｖ〜３０Ｖ）を駆動電極５０に印加した場合を示している。なお、正のＤＣバイアスを掛けた交流電圧（０Ｖ〜６０Ｖ）をオフセット電圧３０Ｖの交流電圧と称し、時間平均してゼロとなる両極性の交流電圧（−３０Ｖ〜３０Ｖ）をオフセット電圧０Ｖの交流電圧と称する。

【0043】

なお、図７及び図８に示すグラフにおいては、固定電極３０に印加する電圧Ｖｍを０Ｖ、２０Ｖ、４０Ｖ、５０Ｖ、６０Ｖ、及び８０Ｖとし、それぞれの電圧において共振周波数を１０回測定した。共振周波数の測定については、上記の電気的測定を利用して行った。

【0044】

図７に示すように、オフセット電圧３０Ｖの交流電圧を駆動電極５０に印加した場合、固定電極３０に印加する電圧Ｖｍが０Ｖ、２０Ｖ、４０Ｖ、５０Ｖ、６０Ｖ、及び８０Ｖのいずれにおいても０．００５ｋＨｚ〜０．０１３ｋＨｚ程度の計測のバラつきが発生した。

【0045】

これに対して、図８に示すように、オフセット電圧０Ｖの交流電圧を駆動電極５０に印加した場合、固定電極３０に印加する電圧Ｖｍが４０Ｖであるときに０．００３ｋＨｚ程度の計測のバラつきが見られたが、その他の電圧（０Ｖ、２０Ｖ、４０Ｖ、５０Ｖ、６０Ｖ、及び８０Ｖ）では、ほぼ計測のバラつきが見られなかった。

【0046】

図９は、固定電極３０に印加する電圧と共振周波数の標準偏差との相関を示すグラフであり、オフセット電圧３０Ｖの交流電圧を駆動電極５０に印加した場合と、オフセット電圧０Ｖの交流電圧を駆動電極５０に印加した場合との双方を示している。

【0047】

図９に示すように、オフセット電圧３０Ｖの交流電圧を駆動電極５０に印加した場合、固定電極３０に印加する電圧Ｖｍが０Ｖ、２０Ｖ、４０Ｖ、５０Ｖ、６０Ｖ、及び８０Ｖのそれぞれにおいて、標準偏差はいずれも０．００１５ｋＨｚ以上となった。特に、固定電極３０に印加する電圧Ｖｍが８０Ｖである場合の標準偏差は０．００３５ｋＨｚ弱となった。そして、正のＤＣバイアスを掛けた交流電圧を駆動電極５０に印加した場合の、標準偏差の平均値は０．００２３３ｋＨｚとなった。

【0048】

これに対して、オフセット電圧０Ｖの交流電圧を駆動電極５０に印加した場合、固定電極３０に印加する電圧Ｖｍが４０Ｖであるときの標準偏差が０．００１０ｋＨｚ弱を示したものの、その他の電圧（０Ｖ、２０Ｖ、５０Ｖ、６０Ｖ、及び８０Ｖ）では、標準偏差が０．０００２ｋＨｚ以下となった。そして、時間平均してゼロとなる両極性の交流電圧を駆動電極５０に印加した場合の、標準偏差の平均値は０．０００１９ｋＨｚとなった。

【0049】

以上より、オフセット電圧０Ｖの交流電圧を駆動電極５０に印加した場合の標準偏差は、オフセット電圧３０Ｖの交流電圧を駆動電極５０に印加した場合の標準偏差の１０分の１以下になり、計測のバラつきが小さくなった。

【0050】

また、オフセット電圧が１０Ｖや２０Ｖの交流電圧（振幅±３０Ｖ）であっても、オフセット電圧３０Ｖの場合よりも上記標準偏差が小さくなり、計測のバラつきが小さくなると予測される。

【0051】

図１０は、オフセット電圧１０Ｖ及び２０Ｖのときの標準偏差を示す表である。なお、図１０においては、オフセット電圧０Ｖ及び３０Ｖのときの標準偏差についても示す。また、図１１は、オフセット電圧１０Ｖ及び２０Ｖのときの標準偏差の算出手法を示す図であって、（ａ）はオフセット電圧３０Ｖの波形を示し、（ｂ）はオフセット電圧２０Ｖの波形を示し、（ｃ）はオフセット電圧１０Ｖの波形を示し、（ｄ）はオフセット電圧０Ｖの波形を示している。

【0052】

まず、図１１（ａ）に示すように、オフセット電圧３０Ｖの場合において、ゼロ電圧を超える部位の面積（図１１（ａ）において「＋」の部分）から、ゼロ電圧未満の部位の面積（図１１（ａ）において無し）を減算して得られる面積を「１」とする。また、この場合における共振周波数の標準偏差は、図１０に示すように、０．００２３３ｋＨｚである。

【0053】

また、図１１（ｄ）に示すように、オフセット電圧０Ｖの場合において、ゼロ電圧を超える部位の面積（図１１（ｄ）において「＋」の部分）から、ゼロ電圧未満の部位の面積（図１１（ｄ）において「−」の部分）を減算して得られる面積は「０」である。また、この場合における共振周波数の標準偏差は、図１０に示すように、０．０００１９ｋＨｚである。

【0054】

以上のデータに基づいて、面積比率の関係から、オフセット電圧１０Ｖ及び２０Ｖのときの標準偏差を算出すると、図１１（ｂ）に示すように、オフセット電圧２０Ｖの場合において、ゼロ電圧を超える部位の面積（図１１（ｂ）において「＋」の部分）から、ゼロ電圧未満の部位の面積（図１１（ｂ）において「−」の部分）を減算して得られる面積は図１１（ａ）に示す場合を「１」としたとき、「０．６６」である。このため、共振周波数の標準偏差についても同様に比率から、０．００１６２ｋＨｚであるといえる（図１０参照）。

【0055】

また、図１１（ｃ）に示すように、オフセット電圧１０Ｖの場合において、ゼロ電圧を超える部位の面積（図１１（ｃ）において「＋」の部分）から、ゼロ電圧未満の部位の面積（図１１（ｃ）において「−」の部分）を減算して得られる面積は図１１（ａ）に示す場合を「１」としたとき、「０．３３」である。このため、共振周波数の標準偏差についても同様に比率から、０．０００９０ｋＨｚであるといえる（図１０参照）。

【0056】

このように、図１１（ｂ）及び図１１（ｃ）に示す場合であっても、図１１（ａ）に示す場合よりも、共振周波数のバラつきを抑えるといえる。すなわち、駆動電極５０に対して時間平均がゼロとなる交流電圧を印加する場合に限らず、駆動電極５０に対して０Ｖを跨ぐ交流電圧を印加した場合であっても一定の効果が得られるといえる。

【0057】

図１２は、固定電極３０に印加する電圧と共振周波数との相関を示すグラフであり、ゼロ電圧時において一定の停止時間を設けたオフセット電圧０Ｖの交流電圧を駆動電極５０に印加した場合を示している。

【0058】

図１２に示すように、ゼロ電圧時において一定の停止時間を設け時間平均してゼロとなる交流電圧を駆動電極５０に印加した場合、固定電極３０に印加する電圧Ｖｍが０Ｖ、２０Ｖ、４０Ｖ、５０Ｖ、６０Ｖ、及び８０Ｖのいずれにおいても計測のバラつきが確認されなかった。

【0059】

図１３は、固定電極３０に印加する電圧と共振周波数の標準偏差との相関を示すグラフであり、オフセット電圧０Ｖの交流電圧を駆動電極５０に印加した場合（停止時間を設けない場合）と、ゼロ電圧時において一定の停止時間を設けたオフセット電圧０Ｖの交流電圧を駆動電極５０に印加した場合（停止時間を設けた場合）との双方を示している。

【0060】

停止時間を設けない場合の標準偏差は、上記したように、固定電極３０に印加する電圧Ｖｍが４０Ｖであるときに０．００１０ｋＨｚ弱を示し、その他の電圧（０Ｖ、２０Ｖ、５０Ｖ、６０Ｖ、及び８０Ｖ）で０．０００２ｋＨｚ以下を示し、平均値が０．０００１９ｋＨｚとなった。

【0061】

一方、停止時間を設けた場合の標準偏差は、全ての電圧（０Ｖ、２０Ｖ、４０Ｖ、５０Ｖ、６０Ｖ、及び８０Ｖ）において約０．０００１ｋＨｚ以下を示し、平均値が０．００００７ｋＨｚとなった。

【0062】

以上より、停止時間を設けた場合の標準偏差は、停止時間を設けない場合の標準偏差の２分の１以下になり、計測のバラつきが一層小さくなった。

【0063】

このようにして、本実施形態に係る電圧センサ１によれば、駆動電極５０に対して時間平均がゼロとなる交流電圧を印加するため、振動子２０は常に一方向の電界を受けることがない。よって、振動子２０のチャージアップに基づく振動子２０に印加される実質的な電界の変化を抑えて共振周波数に影響が及んでしまうことを防止することができる。故に、計測のバラつきを小さくすることを防止できる。また、ポッケルス素子、１／４波長板、偏光子、検光子等の部品が必要なく、光軸のアライメント等も必要がないため、部品点数の増加、及び、組み立ての煩雑化を防止することができる。従って、部品点数の増加、及び、組み立ての煩雑化を防止しつつ、計測のバラつきを小さくすることができる。

【0064】

また、交流電圧がゼロ電圧となる毎に、ゼロ電圧到達時点から所定時間ゼロ電圧を維持するため、振動子２０のチャージアップがさらに軽減されることとなり、計測のバラつきを一層小さくすることができる。

【0065】

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。

【0066】

例えば、本実施形態において振動子２０は、細長形状となっているが、これに限らず、リング形状などの他の形状であってもよい。すなわち、図１に示す原理に基づいて電圧を測定できるのであれば、振動子２０の形状を問うものではない。よって、リング型の振動子を用い、これをワイングラスモード振動させるものであってもよいし、他のものであってもよい。

【0067】

また、本実施形態において振動子２０と駆動電極５０とは、櫛歯電極２１，５１を備えているが、これに限らず、充分に静電引力を発生させて振動子２０を振動させることができれば、特に櫛歯電極２１，５１を備えていなくともよい。

【符号の説明】

【0068】

１ ：電圧センサ
１０ ：サスペンション（支持手段）
２０ ：振動子
２１ ：櫛歯電極
３０ ：固定電極
４０ ：演算部
５０ ：駆動電極
５１ ：櫛歯電極
６１ ：第１電極
６２ ：第２電極
７０ ：ストッパ
７１ ：本体部
７２ ：バネ部
７３ ：接触部
８０ ：駆動回路（駆動手段）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】